電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的實(shí)驗(yàn)過(guò)程
以電子束真空熔煉直接定向凝固技術(shù)制備5N 高純銅大鑄錠為研究目標(biāo), 利用電子束熔煉原材料, 熔體直接定向凝固后得到高純銅鑄錠。
高純銅的傳統(tǒng)提純技術(shù)主要有電解精煉法、陰離子交換法和區(qū)熔精煉法。電解精煉法提純5N-6N 高純銅需要7- 10 天, 質(zhì)量也不穩(wěn)定。陰離子交換法工藝復(fù)雜, 不利于環(huán)保且質(zhì)量不穩(wěn)定。區(qū)熔精煉法仍然被用來(lái)制備高純材料, 但是效率低、能耗高。為此, 一些學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究其它制備高純銅的方法。綿陽(yáng)國(guó)家表面物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用真空垂直區(qū)域熔煉精煉99.9% 銅, 使銅的純度達(dá)到99.997%。文獻(xiàn)報(bào)道了金川公司以4N 電解銅為原料, 制備pH 為2.0~ 3.5 的硝酸銅溶液, 獲得6N 電解銅板, 再通過(guò)電子束熔煉使氧含量得到大幅度地降低, 制備出了6N 高純銅鑄錠, 然后金川公司采用電子束熔煉成功生產(chǎn)出純度達(dá)到99.9999%、重量為25 kg 的超純銅錠, 該技術(shù)是中國(guó)高純銅生產(chǎn)的最高水平。文獻(xiàn)報(bào)道了采用電解法生產(chǎn)出了8N 高超銅( 不含C、N、O、H、P、S 氣體元素) , 生產(chǎn)周期為20 天, 但是高純銅中較高的氧含量仍然無(wú)法去除。英國(guó)及日本的學(xué)者G.M. Lalev 等利用氫等離子弧經(jīng)過(guò)10 次區(qū)域熔煉精煉4N 及6N 銅原料, 發(fā)現(xiàn)Si、Ti、Fe 的含量在x / L = 0.03 處明顯降低。
迄今為止, 采用電子束熔煉直接定向凝固技術(shù)制備高純銅鑄錠報(bào)道還較少。在濺射靶材、電子及通訊行業(yè), 純銅鑄錠中較高的氫氧含量則會(huì)影響產(chǎn)品的性能, 提高純度和降低氫氧含量則顯得尤為重要。電子束精煉和定向凝固技術(shù)具有去除雜質(zhì)和氫氧含量的優(yōu)點(diǎn), 所以本文的研究具有重要意義。
本文采用4N 電解陰極銅板為原料, 經(jīng)過(guò)電子束精煉和定向凝固制備技術(shù)提純后, 研究了大尺寸銅鑄錠的宏觀組織、元素分布、晶粒取向和雜質(zhì)濃度的變化。
電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的實(shí)驗(yàn)過(guò)程
高純銅提純的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1 所示。首先, 將工業(yè)陰極銅板剪切后, 將表面清洗干凈; 然后, 將清洗后的陰極銅板裝入電子束熔煉爐的送料機(jī)構(gòu), 抽至高真空后, 進(jìn)行電子束精煉, 熔化后的銅熔體落入定向凝固裝置-石墨坩堝, 坩堝用石墨發(fā)熱體實(shí)現(xiàn)保溫, 底部通水實(shí)現(xiàn)冷卻, 完成定向凝固過(guò)程。實(shí)驗(yàn)原料為4N( 99.9988711% ) 電解陰極銅板, 其成分主要計(jì)算了前22 種含量比較高的雜質(zhì)元素( 不含C、N、O 三種元素) 。電子槍工作真空度5.10- 3 Pa,熔煉室工作真空度5.10- 2 Pa, 定向冷卻水流量為370 L/ h, 保溫15 min 后以1.8 mm/ min 速度向下?tīng)恳?/p>
圖1 電子束精煉直接定向凝固原理
鎢錸熱電偶測(cè)量石墨坩堝的溫度, 雜質(zhì)元素分析采用當(dāng)前國(guó)際通用的GDMS-VG9000 分析儀( 輝光放電質(zhì)譜儀) , 經(jīng)分析含量較高的前22 種雜質(zhì)元素,減量百分含量的純度接近6N。氧氫含量在TCH600氧氫分析儀上測(cè)量, 執(zhí)行GB/T14265-1993 和GB/T5121.8-1996。晶粒取向的研究采用XRD-6000, 雜質(zhì)元素的偏聚研究使用了電子探針EPMA-1600。
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